大型风力发电机组齿轮传动技术的进展

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1、大型风力发电机纽•主要由风轮、机械传动系统、发电设备和控制系统纽成，具屮机械传动系统是将风轮吸收的风能以机械的方式传送到发电机的中间装置，包括传动轴系、联轴器、齿轮箱、离合器和制动器等，为了便丁•捕获风能和适应机组性能控制需要，机组还必须配置偏航传动、变桨距传动以及阻尼、制动等辅助装置。图1所示是一个典型的人型风电机组,左侧的风轮通过主轴将动力经齿伦箱传递给右侧的发电机，机舱内的设备安装在底朋上，通过偏航轴承支檸在塔架上。图大塑风力发电机组大型风电机组的特殊坏境和使用工况条件，对传动装置提出了不同寻常的耍求，而大量的不确定因素，如图2所示的外部动载荷和变化多端的风

2、轮、电网异常载荷的作用、机舱刚性不足引起的强烈振动、只能通过估算和模拟的载荷谱和极限载荷分布等，都是传动装置必须考虑的重大问题。A'风剪切力塔架扭曲“e?奧动栽荷;丨注!叶片夸曲偽摆基础駛振Lb塔架偏摆扳动控和和电网的粽荷;口击叶片扭曲变形国2.风电机组外部动載商人型辿发虫机组主传动齿轮箱位于风轮和发电机之间，是一种亦无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮增速传动装置。齿轮箱是风电机组传动轴系中-•个最重要而乂是最脆弱的部件。齿轮箱在机舱内不可能像在地面那样具冇牢固的机座呈础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因索总是集中反映在某个薄弱环节上，这个环节常

3、常是机组小的齿轮箱。当然，最理想的情况是让齿轮箱完成传递扭矩和增速的任务而不承受具他附加载荷。实际上这不仅不能实现，而且还会由于风况的多变和机组的复朵变形避免不了许多附加负荷的作用，给齿轮箱的设计增添了不少不确定的因素。很显然，在狭小的机舱空间内减小部件的外形尺寸和减轻重量十分重要，因此齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并R重量授轻，同时也要考虑便于维护的要求。根据机组提供的参数，采用CAD优化设计，按照排定的最佳传动方案，选择稳定可靠的结构和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完善的润滑、冷却和监控系统，是设计齿

4、轮箱的必要前提条件。因此，传动装置的设计和部件选用必须按照主机提出的耍求，根据不同的使用条件，经分析对比碍做出选择。主要考虑的因素有：1）主机工况和性能参数，动力学分析结果;2）传动系统的载荷分布和结构形式；风电材料设备3）对传动装置及其联接要求；4）安全环保要求；5）寿命要求；6）经济和效益分析；7）运转和维护条件。传统机组的主齿伦箱用于变换速度和扭矩，使紧凑的标准发电机能够在机组上应用。不同功率等级的齿轮箱采用不同的传动形式（见图3）。平行轴齿轮传动（500kW以下）2级/3级丄行紬1级行星凸级圧2级歼星门级平斜齿传动行钳料齿传动行铀駅齿传动行星和平行紬也轮传

5、动（MW级）1*虫合牛斷图3一不同功畢风电齿轮箱传动形式在20世纪八十年代，平行轴圆柱齿轮传动装置应用到100到500kW标准风电机组上。90年代风力发电机组平均功率增大到600至800kW,为了节省空间，获得更大速比，引用了外形为筒状的行星齿轮传动或行星与平行轴齿轮组合传动的结构，取得较好的效果。图4所示的一•级行星两级平行轴齿轮箱是H前应用较广的机组传动结构。为取得高功率密度和大速比，行星级的行星架将动力多分路分流到多个行星轮，再汇合到太阳轮上传至平行轴齿伦，常用功率在2MW以下。齿伦箱的设计结构随机组传动轴系的布置方式而定，与主轴一起适用于“两点式”或“三点

6、式”支撑。胀紧套联接主轴和齿轮箱输入轴（行星架），固定端设在主轴上，行星架轴承（或箱体）应能轴向浮动。行星架采用双支撑以提高结构刚度,常用三个行星轮，太阳轮浮动均载；采用斜齿轮，传动平稳，降低噪声。图4•一级行星两级平行轴齿紀传动结构两级行星和i级平行轴齿轮传动也有较多应用实例，功率可达3〜3.5MW。对于更大功率的机组，为了减小外形尺寸，节省机舱空间，齿轮箱倾向于应用行星、差动和平行轴齿轮组合传动的方式，行星轮常常多于三个，以缩小体积，获取更人的功率密度。图5所示的行星差动和固定轴齿伦组合传动结构已在国产的大型风电机组中得到应用。该结构采用3级齿轮传动：笫一级是

7、行星差动齿轮传动；笫二级是固定轴齿轮分流传动；笫三级是平行轴齿轮传动。图5.行星差动与固定轴齿轮功率分流传动结构从主轴传来的功率分两路传递：标有箭头红线的一路从行星架直连的第二级内齿圈，通过圆周分布的一组固定轴齿轮传至第二级中心轮，再通过与该中心轮相连的第一级内齿圈回传至行星架；而另一路（用绿色箭头线表示）则直接由行星架传递，并在第一级行星轮上与前一路的功率汇合，通过笫一级屮心轮（太阳轮）传至笫三级平行轴齿轮副。这种传动方式的总速比可以达到200:1（行星/差动级：35：1；平行轴：6：1）o功率分流的比例：内齿圈差动至末级主动轮为72.1%；行星伦、太阳伦至末级

8、主动伦为2